WWW.LI.I-DOCX.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

«олимпиада школьников «Шаг в будущее» Научно-образовательное соревнование «Шаг в будущее, Москва» Регистрационный номер: ШМ0358 Энергетика и экология Промышленная экология Системы активного гашения ...»

олимпиада школьников «Шаг в будущее»

Научно-образовательное соревнование «Шаг в будущее, Москва»

Регистрационный номер: ШМ0358

Энергетика и экология

Промышленная экология

Системы активного гашения шума машин

Автор: Мартынов Александр Александрович

ГБОУ № 1799 «Экополис», 11 класс

Научный руководитель: Комкин Александр Иванович

профессор кафедры Э-9 МГТУ им. Н.Э. Баумана

____________________________ подпись научного руководителя

Москва – 2017

Описание работы

Постановка проблемы: в последние годы существует потребность использования машин и оборудования на промышленных производствах, в объектах социальной инфраструктуры. Они создают определенные шумовые воздействия, мешающие работоспособности и жизнедеятельности человека. Кроме того, существуют различные природные (естественные) шумы. Поэтому проблема, поставленная в направлении данной темы, является актуальной.

Цели и задачи работы: изложить общую информацию о методах борьбы с шумом и вибрацией, отдельно показать главные способы активной шумовиброзащиты, опираясь на примеры в инженерии. Результатом работы должна быть собранная в лабораторных условиях система активного шумоподавления, как пример принципа действия подобных систем активной шумозащиты.

Актуальность проблемы борьбы с шумом

В последнее время человечество совершило большой прорыв в сторону модернизации и роботизации производства. Ни одно предприятие не работает без помощи машин или роботов.



Они улучшают качество продукции, а также экономят время и силы, которые могли бы потратить люди, выполняя такую же работу. Однако в связи с этим экология всего мира подверглась опасности. Кроме того, они отрицательно влияют на человеческое здоровье. Производственные машины издают слишком громкие шумы, из-за которых качество жизни и труда человека снижаются до довольно предельных отметок. Человечество роботизировало производство для улучшения качества жизни путем уменьшения затрат на выполнение одной работы, однако люди не смогли предсказать то, что шумы, издаваемые машинами, окажутся дискомфортными для жизнедеятельности. Итак, шум в настоящее время стал одной из главных проблем человечества. Он действует на человека на работе, на улице, в транспорте, дома – практически везде. Было подсчитано, что 30% всех болезней у жителей городов связаны с длительным воздействием повышенного шума. На рис.1 представлена таблица данных о влиянии шума на население США.

Рис.1

Исходя из этой таблицы, с учетом того, что в США на предприятиях с источниками повышенного шума (>80 дБА) работают более 20 млн человек, можно предположить, что каждый второй житель страны испытывает дискомфорт в связи с влиянием на него шума.

На рис.2 представлены некоторые достижения, которые добились люди в области борьбы с шумом. Из данных на этой таблице можно сделать вывод, что для многих машин, установок, транспортных средств, агрегатов за прошедшие 40-45 лет уровень шума снижен на 15-30 дБА, что очень эффективно.

рис.2

Основные методы и средства защиты от шума и вибрации

Существует два вида акустической защиты: средства индивидуальной защиты (персональная защита, целью которой является предупредить расстройство или ухудшение органов человека) и коллективной защиты (предназначены для ослабления шума в местах постоянного пребывания человека)

По отношению к источнику средства коллективной защиты разделяют на два вида:





-снижение шума в источнике

-снижение шума на пути от источника к точке наблюдения или расчетной точке

Снижение силового воздействия достигается путем снижения скорости движущихся гидравлических потоков, турбулентности, уменьшение числа зазоров в соединениях и т.д.

Уменьшение звукоизлучающей способности достигается исключением синфазности колебаний источников звука, уменьшением площади излучения, увеличением коэффициента потерь материала излучающей поверхности.

По принципу действия различаются следующие методы защиты от шума и звуковой вибрации:

-звукоизоляция

-звукопоглощение

-виброизоляция

-вибропоглощение

-глушители шума

Эта классификация условна, так как глушители являются также и средством защиты от шума, например, реактивных струй

В активных средствах защиты от шума используется принцип интерференции звука.

Интерференция звуковых волн

Интерференция, подобно дифракции, характерна для звуковых волн (впрочем, как и для всех волновых явлений). Для наблюдения интерференций звуковых волн можно поставить опыт. На планке, которую можно поворачивать укреплены два одинаковых камертона, звучащих в одной частоте. Если частота камертонов около 1 кГц, а расстояние между ними около 1,5 м, то ширина чередующихся областей усиления и ослабления звука, будет составлять на расстоянии в 5—6 м от камертонов около 1 м (от максимума до максимума). (рис.4) Если возбудить камертоны (например, смычком) и медленно поворачивать планку, то области усиления и ослабления звука будут перемещаться мимо наблюдателя и он услышит, как поочередно сменяются звук большой громкости и почти полное его замирание. На примере данного опыта можно осознать, по какому принципу ведет себя звуковая волна при совмещении двух различных по фазе волн.

рис.4

Активная шумовиброзащита

Активные системы шумовиброзащиты используют длинные звуковые волны, связанные с низкочастотным звуком. Такие системы работают на принципе ослабляющей интерференции между акустическими полями, которые образованы «первичными» источниками (шум, который следует подавить) и «вторичными» источниками (специально созданная звуковая волна, направленная в противоположную от «первичного» источника сторону и находящаяся в противофазе с ним). Работа подобной системы активной шумовиброзащиты показана на рис.5. Микрофон обнаруживает падающую звуковую волну и через фазоинвертор подает сигнал на динамик. Динамик же находится напротив источника «первичной» волны. Суперпозиция двух этих источников вызывает их интерференцию, и в области пересечения волн образуется область тишины. Главным условием активного уменьшения шума является приблизительная равность амплитуд сигналов. Так же для создания тишины расстояние между источниками должно быть кратно расстоянию длин волн этих источников для того, чтобы они находились в противофазе. В ином случае будет наблюдаться усиление шума.

Рис.5

1 – источник шум; 2 – микрофон; 3 – усилитель; 4 – анализатор спектра;

5 – фазоинвертор; 6 – блок динамиков; 7 – область тишины

Для источника чистого тона с круговой частотой вращения, создающего звуковое давление pp= Acos(t), полное гашение достигается, когда звуковое давление вторичного источника ps= –Acos(t). Однако на практике амплитуда и сдвиг по фазе не будут идеально совпадать с теоретическими соображениями, поэтому уравнение звукового давления для вторичной волны имеет вид ps= –Bcos(t+ ). Из этого следует, что гашение будет частичным. Эффективность гашения:

L= 10lg[pp/(pp+ps)]2 (1.1)

Ее значение будет зависеть от рассогласований по фазе и амплитуде, определяемых углом и соотношением амплитуд двух волн К=A/B. Таким образом формулу (1.1) можно привести к виду:

L= –10lg(1 – 2Kcos + K2) (1.2)

На рис.6 показана зависимость эффективности гашения чистого тона от и К. Из данных на графике следует, что при отсутствии ошибки по амплитуде (К=1) для получения эффективности гашения, превышающей 30 дБ, значение не должно превышать 2. При ошибке по амплитуде в 10% эффективность не превышает 20 дБ, а при ошибке в 20% эффективность составляет не более 14 дБ.

рис.6

Применение активной системы шумоподавления (АСШ)

Проблема снижения шума имеет две стороны: техническую и экономическую. Средства активного снижения шума позволяют эффективно бороться с шумом на частотах от 20 до 500 Гц, тогда как пассивные системы на этих частотах теряют свою эффективность, как с акустической, так и с экономической точки зрения. Активная защита от шума применяется достаточно широко.

Активные глушители шума для систем тепловентиляции и кондиционирования жилых и производственных зданий, энергетического оборудования, бытовых приборов и на транспорте.

В частности, для снижения шума в воздуховодах систем подогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха, используемых в жилых, офисных и индустриальных зданиях, был разработан алгоритм активного снижения шума, названный NoiseSuppressor. На основе этого алгоритма создана серия устройств, которые эффективно снижают низкочастотный шум и не увеличивают аэродинамическое сопротивление воздуховодов (известные пассивные устройства для решения этой задачи весьма неэффективно снижают шум на низких частотах). NoiseSuppressor устанавливается вблизи вентилятора, перед разветвителями воздушного потока или на выходе системы вентиляции в помещениях поверх вентиляционной решетки. При этом не требуется вносить изменения в систему вентиляции.(рис.8). Наличие подстроечных элементов позволяет получать максимум эффективности с учетом спектра начального шума. Эффективность подавления узкополосного шума достигает 40 дБ. Возможна настройка устройства и на более глубокое подавление шума при наличии ярко выраженной частотной составляющей спектра исходного шума.

Рис.8

40576541275Устройство активного глушителя для 150 мм воздуховода

0Устройство активного глушителя для 150 мм воздуховода

Схема активной системы шумоподавления в автомобилях.

Ведутся работы по использованию такой защиты в салоне автомобиля. АСШ в автомобиле предназначена для подавления шума в салоне от работы двигателя, выпускной системы, трансмиссии, использования системы отключения цилиндров. Шумы от движения по дорожному покрытию и аэродинамические шумы система не компенсирует. Система активного шумоподавления в автомобилях включает в себя микрофоны,

электронный блок управления, аудиосистему с динамиками (рис.9).

72580520066000

Рис.9

1 – двигатель; 2 – динамики в нижней части передних дверей; 3 – потолочные микрофоны; 4 – сабвуфер; 5 – электронный блок управления;

6 – аудиосистема

Микрофоны устанавливаются на потолке салона автомобиля и непосредственно воспринимают негативные шумы. Сигнал от микрофонов поступает в электронный блок управления, где в соответствии с частотой вращения коленчатого вала двигателя рассчитывается фаза, частота и амплитуда акустических сигналов для подавления шума.

Аудиосистема генерирует эти акустические сигналы в противофазе к шуму, чем достигается его подавление. В системе активного шумоподавления используется отдельная аудиосистема или штатная аудиосистема автомобиля с расширенными функциями. Усиленные акустические сигналы подаются на динамики, из которых два установлены в передних дверях и один (сабвуфер) за задним сиденьем. Получившийся в результате работы системы звук воспринимается микрофонами и контролируется блоком управления. В системе активного шумоподавления заложены многопараметрические характеристики, индивидуальные для каждой комплектации автомобиля.

Они учитывают конструкцию акустической системы (количество и расположение динамиков), тип кузова автомобиля, модель двигателя, конструкцию крыши (обычная крыша, люк, панорамная крыша). С такой АСШ в салонах автомобилей зарегистрировано снижение уровня звукового давления (УЗД) при частоте «первичного» звука 50-200 Гц на 8-15 дБ. Эффективность АСШ в автомобиле будет ограничиваться низкочастотным диапазоном шумов.Такая же по структуре АСШ используется в кабинах самолетов с отличием лишь в расположении и количестве микрофонов и динамиков. Здесь при частоте звука до 500 Гц достигается снижение УЗД до 10-14 дБ.

Структура работы систем активного шумоподавления

Простейшая схема АСШ в каналах представлена на рис.10. Она содержит блок приема, регистрирующий звуковое давление на входе системы, блок управления, вырабатывающий управляющее воздействие, и блок излучения, формирующий в соответствии с сигналом управления такую звуковую волну, что при ее взаимодействии с исходной звуковой волной происходит снижение уровней звукового давления на выходе системы.

рис.10

На схеме введены значения: pu и pd – значения звукового давления исходной звуковой волны на входе системы и результирующего звукового давления на выходе системы; G, Gu, Gd – передаточные функции, определяющие задержку и затухание в звуковой волне при ее распространении соответственно от входа к выходу системы, от блока излучения до входа и от блока излучения до выхода.

VA и VB – значения сигналов на выходах блоков излучения и управления. При работе данной системы возможно явление обратной акустической связи (звук, вышедший из блока излучения, распространяется в сторону блока приема, таким образом воспринимаясь системой повторно.) Это проблема, так как оно приводит не к гашению, а к усилению вторичного давления, относите первичного.

Существует несколько способов исключения или компенсации акустической обратной связи. Один из них заключается в применении системы Челси, когда микрофон размещается между двумя динамиками. Таким образом излучение звука первого и второго динамика компенсируют друг друга.(рис.11)

рис.11

Другой способ компенсации состоит в применении однонаправленных приемников звука. Он представляет собой систему из двух микрофонов, находящихся на расстоянии d друг от друга, что эквивалентно наличию в системе звена задержки t. Блок управления С проводит обработку сигналов двух микрофонов так, что выделяется сигнал, соответствующий звуковой волне, проходящей только в направлении от входа к выходу системы. Такая схема представлена на рис.12.

рис.12

В последнее время в основном применяются цифровые АСШ, в блоке управления которых используются цифровые фильтры. Параметры фильтра могут быть подобраны таким образом, чтобы передаточная функция фильтра обеспечивала полное гашение шума на выходе системы. Преимуществом является то, что параметры фильтра могут меняться в процессе работы цифровой АСШ, например, вследствие изменения давления или температуры среды. Значит такая система является адаптивной (ААСШ) под изменения внешних условий. Она содержит дополнительный микрофон, размещенный на ее выходе. Сигнал этого микрофона используется для подстройки параметров адаптивного фильтра так, чтобы обеспечивалось максимальное гашение шума.(рис.13)

рис.13

Также наряду с ААСШ, основанной на методе цифровой фильтрации, существует метод синтеза гасящей волны.(рис.14) Отличительной особенностью схемы является наличие сенсора, формирующего сигнал об основной частоте периодического шума, и микропроцесса, исполняющего роль синтезатора звука. Синтез звука осуществляется синхронно с основной частотой периодических составляющих шума на основе сигнала, регистрируемого микрофоном на выходе системы.

рис.14

Работа самодельной АСШ

Описание

В целях визуализации АСШ была создана подобная система в домашних условиях из подручных средств. Стоит отметить, что она представляет собой упрощенную, примитивную и далеко не идеальную конструкцию (не является уже готовой к использованию для индивидуальной или коллективной защиты), однако на основе нее показывается общий принцип работы АСШ.

Устройство самодельной АСШ

Рис.15

В качестве источника шума использован генератор в мобильном телефоне, который путём программного обеспечения создает звуковые волны на видимом диапазоне частот.

Устройство для съема внешних шумов в различных диапазонах частот, улавливаемых слухом человека (в данном случае обыкновенный микрофон).

Коммутирующее устройство представляет собой бытовой усилитель звука, который будет использован в качестве преобразования волн, генерируемых в устройстве №1 дальнейшим его усилением и выводом на акустическую систему №4 для погашения шумов.(рис.15)

Акустический излучатель, который является основным источником направленных встречных волн в противофазе. Он будет суммировать звук из внешнего источника и звук, исходящий из акустической системы шумоподавления, в результате чего будет уменьшен шум и звуковое давление.

На рис.16 представлена схема такой АСШ

2537460149860рис.16

рис.16

Лабораторные исследования АСШ

С помощью АСШ, находящейся в энергостроительном корпусе МГТУ(рис.17), удалось рассчитать изменение звукового давления в зависимости от различных частот первичных звуковых волн

Рис.17

Частота, Гц L, дБ

250 6

500 31

750 18

1000 29

1250 27

1500 32

1750 30

2000 16

Заключение

В процессе работы удалось:

В ходе анализа теоретических вычислений и сведений из научных источников выявить закономерности работы АСШ, виды и методы защиты от шума и способы их применения.

Самому собрать системную установку шумоподавления, не используя при этом сложную технику.

Рассмотреть виды АСШ также использующие цифровые фильтры, которые самостоятельно адаптируются под различные внешние воздействия.

Также рассмотреть методы борьбы с акустической обратной связью.

Список использованных источников и литературы

Н.И. Иванов, Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом: Учебник/Н.И. Иванов. – М.: Логос, 2010. – 424 с.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Акустическая_система#.D0.90.D0.BA.D1.82.D0.B8.D0.B2.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.B8_.D0.BF.D0.B0.D1.81.D1.81.D0.B8.D0.B2.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D1.81.D0.B8.D1.81.D1.82.D0.B5.D0.BC.D1.8Bhttp://www.konsutech.ru/audiotech/akustik.htmlhttp://systemsauto.ru/another/anc.htmlhttp://www.akin.ru/comm/dev8.htmА.И. Комкин, Снижение шума машин активным методом: учебное пособие/А.И. Комкин. – Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2000

Похожие работы:

«Промежуточная аттестация 2 семестр 2016-17 уч.годГруппа Квалификационный экзамен Зачеты Экзамены 1 курс 19.02.10 Т-16,Т-26 Т-36, 316326 1. Иностранный язык – диф. зачет2. История – диф. зачет3. Физическая культура – ди...»

«Список абитуриентов, рекомендованных к зачислению в магистратуру на Географический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова№ ФИО НАПРАВЛЕНИЕ1 АВАКОВ АРСЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ГЕОГРАФИЯ2 АЛЕКСЕЕВА АННА АРТЕМОВНА ГИДРОМЕТЕО...»

«ЎЗБЕКИСТОН РЕСПУБЛИКАСИ ОЛИЙ ВА ЎРТА МАХСУС ТАЪЛИМ ВАЗИРЛИГИ Руйхатга олинди № 201 йил“_” Ўзбекистон Республикаси Олий ва ўрта махсус таълим вазирининг 201 йил “” _даги “”-сонли буйруи билан тасдиланганЭКОЛОГИЯ фанининг ЎУ...»

«СТРАТЕГИЧЕСКАЯ ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА"МАЛАЯ РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА" Москва, 2012СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ1. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ РЫНКА И ТЕХНОЛОГИЙ В СФЕРЕ МАЛОЙ ЭНЕРГЕТИК...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВО Новосибирский национальный исследовательский государственный университет Факультет естественных наук УТВЕРЖДАЮ 75374540005 2306955106045Де...»

«Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники" Кафедра производственной и экологической б...»

«Тема : Что нас окружает. Живая и неживая природа, изделия человека. Цель: сформировать у учащихся понятия о живом и неживом в природе и о рукотворном мире ; формировать умения классифицировать предметы; формировать навык соотнесения реального объекта и его условного обозначения ; сформировать начальное представление об...»

«Олимпиадные задания по биологии 7 класс (2015-2016 уч.год) Часть А Вам предлагаются тестовые задания, требующие выбора только одного ответа. Максимальное количество баллов, которое можно набрать – 30(по 1 баллу за каж...»

«УДК 551.1(476): 556.3 (476): 628.1(476) В. И. Зуй1, В. Н. Губин1, А.М. Ковхуто2, А. Ф. Санько1, Л. И. Мурашко1 1Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь 2Государственное предприятие "НПЦ по геологии"ВКЛАД АКАДЕМИКА Г. В. БОГОМОЛОВА В ИЗУЧЕНИЕ НЕДР БЕЛАРУСИ 107954635517 марта 2015 года исполнилось...»








 
2017 www.li.i-docx.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.